ABORDAGENS EM NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA PARA O ENSINO MÉDIO

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ABORDAGENS EM NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA PARA O ENSINO MÉDIO

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  1 Ivana Zanella , Solange B. Fagan , Vanilde Bisognin ,

  

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1 Eleni Bisognin Área de Ciências Naturais e Tecnológicas, Centro Universitário Franciscano, 97010-032 Santa Maria, RS, Brasil. (ivanazanella@unifra.com.br) , (sfagan@unifra.br) ,(vanilde@unifra.com.br),

  (eleni@unifra.com.br) Resumo

  A nanociência e nanotecnologia, ai quais baseiam-se na manipulação da matéria em escala nanométrica, estão emergindo como áreas de grande destaque para o desenvolvimento científico e tecnológico em um futuro próximo. Estas áreas são definidas como multi ou transdisciplinares por natureza. Portanto, a nanociência pode ser um ótimo exercício de inter- e multidisciplinaridade no ensino. Várias áreas seguem como básicas para as nanociências, dentre elas podemos citar a física, principalmente a física quântica, a química de estruturas moléculas, cristalinas ou amorfas. Várias áreas do conhecimento convergem quando manipulamos a nanoescala, tendo como conseqüência novos produtos e novas implicações na vida humana. Esta multidisciplinaridade enriquece o conhecimento nas áreas, mas também coloca um grande paradigma para a área de educação: Como trabalhar temas com esta complexidade em diferentes ramos da sociedade, desde o ensino fundamental até a sociedade em geral? Desta forma, apresentamos neste artigo a relação entre as escalas macroscópica, microscópica e nanometrica. Uma síntese das principais potencialidades da escala nanometrica, assim como, duas atividades, as quais envolvem a transição da escala macroscópica e microscópica para escala namometrica. Essas atividades simples, que ilustram as potencialidades da escala nano, podem ser utilizadas com alunos ensino fundamental, médio ou iniciantes nesta fascinante área. Uma das principais vantagens do uso tecnológico de materiais na escala nano, deve se ao grande aumento de área superficial quando convergimos de uma escala macro para a nano. Esta é uma propriedade de grande interesse já que boa parte das aplicações depende do aumento da área de contato das partículas consideradas. Este fato é demonstrado, neste trabalho, a partir de uma abordagem simplificada de macroestruturas cúbicas e esféricas atingindo suas respectivas nanoestruturas, com um aumento substancial na área superficial das estruturas.

  Palavras-chave: nanociências, escalas, ensino/aprendizagem Introdução

  A ciência busca constantemente solucionar problemas científicos que aliados a novas tecnologias podem modificar drasticamente a vida das pessoas, do ponto de vista social, econômico e cultural. Desde o final do século XX uma nova perspectiva tecnológica tem sido avaliada, a qual se baseia na manipulação da matéria em escala nanométrica, a chamada “nanotecnologia” (TOMA, 2004).

  Desta forma, podemos definir nanotecnologia como a manipulação de estruturas atômicas e moleculares, em escala industrial, que estão presentes em

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  uma escala que corresponde a um bilionésimo de metro (10 m), denominada “nano”. Paralelamente, a ciência que envolve o conhecimento das propriedades e potencialidades nessa escala nano é denominada “nanociência” (TOMA, 2004)

  A nanotecnologia promete revolucionar a forma como vivemos, nos comunicamos e como trabalhamos. Pesquisadores atuantes na área vêem na nanotecnologia o potencial para que doenças incuráveis sejam tratadas, materiais com propriedades excepcionais nunca observados sejam obtidos, gerando perspectivas de grandes mudanças sociais e econômicas (ETC, 2005). Países desenvolvidos e em desenvolvimento, como no caso do Brasil, acolhem a nanotecnologia como área prioritária e estratégica para a pesquisa e o desenvolvimento científico e tecnológico da nação (BRASIL,2008).

  Portanto, é essencial que alunos e professores do ensino básico conheçam o que é, a potencialidade e os efeitos da nanociência e da nanotecnologia, visto que estas áreas prometem fazer uma nova revolução tecnológica. Diversos países já possuem disciplinas que abordam temas específicos de nanociência e nanotecnologia, desde o ensino infantil até o ensino médio (COLLEGE, 2008;

  INITIATIVE, 2008) desta forma, retratando a importância de levar essas informações na formação do cidadão conhecedor e crítico.

  As orientações curriculares para as áreas de ciências da natureza do Ministério da Educação (PCNs, 2008),designam que é essencial a formação científica e cultural do cidadão de forma a superar obstáculos que surgem devido as novas tendências científicas e tecnológicas. Cita-se que:

  (…) A crescente presença da ciência e da tecnologia nas atividades produtivas e nas relações sociais, por exemplo, que, como conseqüência, estabelece um ciclo permanente de mudanças, provocando rupturas rápidas, precisa ser considerada. Comparados com as mudanças significativas observadas nos séculos passados – como a máquina a vapor ou o motor a explosão –, cuja difusão se dava de modo lento e por um largo período de tempo, os avanços do conhecimento que se observam neste século criam possibilidades de intervenção em áreas inexploradas (…)

  (PCNs, 2008). Portanto, a partir da exploração da nanoescala, neste trabalho, buscamos mostrar o que é, o potencial e as implicações da nanociência e nanotecnologia, fazendo uma abordagem sobre a relação entre escalas macro, micro e nano.

  Macroscópico, Microscópico E O Limite Nanométrico

  Inicialmente definiremos as principais características das dimensões macro, micro e nano. O termo macroscópico é geralmente utilizado na descrição de objetos físicos que podem ser mensurados e observados a olho nu. De forma geral, podemos avaliar como macroscópicas as escalas de comprimento que variam de 1 mm até 1 km. Na física, a macroscopia pode ser uma peculiaridade aplicada relativamente a quem está na condição de observador.

  Por outro lado, a percepção microscópica pode demonstrar características mais gerais da composição do material em uma escala de comprimento que varia de

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  1 mm a alguns m (1 mícron corresponde a 10 m). Um dos exemplos típicos são

  µ

  as células sanguíneas, como as hemáceas que constituem o sangue e que estão em uma escala de alguns mícrons.

  Já a nanoescala vai além, nesta dimensão denotamos a composição atômica e molecular de qualquer material presente na natureza. Nesta escala

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  estamos tratando de sistemas com dimensões de alguns nanometros (10 m) a

  • 10 alguns Ângstrons (10 m).

  

Figura 1: Esquema relacionando as escalas macro -, micro- e nanométrica, com seus

respectivos exemplos.

  A Figura 1 apresenta um esquema relacionando as escalas macro-, micro - e nanométrica com exemplos específicos e reais. Podemos citar na escala nanométrica moléculas como o fulereno (KROTO et al., 1985), a qual é uma molécula orgânica que tem sido alvo de muitas pesquisas para aplicações nanotecnológicas e a porfirina que é uma molécula também presente na hemoglobina e é responsável pelo transporte dos gases no sangue. Por outro lado, na escala microscópica podemos citar as células vivas presentes no nosso organismo, como por exemplo, as hemáceas, como mostra a Figura 1.

  Quando estamos interessados em manipular, de alguma forma, a matéria em uma escala nanométrica temos, como conseqüência, a nanociência e a nanotecnologia, as quais buscam, respectivamente, explorar o potencial científico e tecnológico nessa nova dimensão. O prefixo nano foi popularizado a partir dos anos 80, a partir de especulações com bases científicas contidas no livro "Engines of Creation" (Motores da Criação) de Eric Drexler (DREXLER, 1986), o qual baseia-se em uma tecnologia molecular, onde seria possível a construção átomo a átomo de dispositivos inovadores para o ser humano.

  Podemos obter materiais para serem aplicados na nanotecnologia, os denominados nanomateriais, a partir de duas abordagens: (i) de baixo para cima, do inglês bottom-up, que trata da agregação de átomos e moléculas de forma auto- organizada, ou seja, desenha-se estruturas moleculares de acordo com a necessidade de aplicação científica ou tecnológica e (ii) de cima para baixo, do inglês up-bottom, que retrata a obtenção de nanomateriais por meio da redução do tamanho das estruturas macro - ou microscópicas (POOLE, 2003). Na próxima seção usaremos alguns exemplos no qual trataremos, especificamente, da obtenção de nanoestruturas na abordagem de cima para baixo.

  Podemos destacar que a grande aplicabilidade da nanotecnologia é devido a sua relação multidisciplinar. Várias áreas do conhecimento convergem quando manipulamos a nanoescala, tendo como conseqüência novos produtos e novas implicações na vida humana.

  

Figura 2: Esquema relacionando a nanotecnologia com diferentes áreas do conhecimento.

  A Figura 2 mostra a convergência de algumas áreas do conhecimento em torno da nanociência e nanotecnologia. As áreas de química, física e biologia estão engajadas na pesquisa de novas nanoestruturas, sua manipulação, bem como seu potencial biológico. Já as engenharias buscam o aproveitamento destes nanomateriais em aplicações tecnológicas específicas, baseadas nas suas propriedades físico-químicas excepcionais. A computação e a matemática buscam criar modelos virtuais abrindo a possibilidade de síntese ou novas aplicações de nanomateriais. Uma das áreas de conhecimento promissoras relacionadas com a nanotecnologia é a área de ciências da saúde, onde se busca o uso de nanomateriais com potencial biológico para o tratamento e diagnóstico de doenças, bem como na aplicação cosmética. Paralelamente, com o surgimento dos primeiros produtos da nanotecnologia, inicia-se a discussão em torno do seu impacto ambiental (efeito das nanoestruturas sintéticas), de legislação e ética com o uso da nanotecnologia e sua implicação social e humana, e do ponto de vista econômico, relacionado ao domínio da nanotecnologia (TOMA, 2004; ETC, 2005).

  Partindo De Macro, Micro E Chegando A Nanoestruturas

  A obtenção de nanoestruturas tem se tornado um ponto essencial para o desenvolvimento efetivo da nanociência e da nanotecnologia. Conforme destacamos anteriormente, existem duas abordagens que podem ser tratadas neste sentido. Podemos obter nanoestruturas a partir de técnicas de baixo para cima (bottom-up) ou de cima para baixo (up-bottom). Neste trabalho, para tornar mais evidente o potencial da nanoescala avaliaremos a obtenção de sistemas nanoestruturados em diferentes dimensões a partir de um sistema macro - ou micros cópico.

  Considere inicialmente o caso de um cubo de aresta L, onde L é dado em centímetros, conforme mostra a Figura 3. Neste caso o cubo representa um sistema macroscópico em três dimensões (3D), já que ocupa as três coordenadas (x, y, z). Se agora, a pa rtir deste cubo, selecionarmos somente uma face, classificamos esta como uma estrutura bidimensional (2D), já que ocupa um plano de coordenadas (x,y). Da mesma forma, elegendo uma aresta deste cubo, a qual tem uma única dimensão definida (y), temos uma estrutura unidimensional (1D). Por outro lado, se escolhemos um único ponto estamos nos referindo a estruturas sem dimensão (0D). O limite da dimensionalidade em um, dois ou três eixos abre diversas possibilidades de engenharia de novas estruturas.

  

Figura 3 : Esquema relacionando as diferentes dimensões em um cubo, de 3 a 0D.

  O exemplo citado para obtenção de estruturas de diferentes dimensões, a partir de um cubo, é claramente observado em alguns compostos na natureza ou estruturas sintetizadas. O carbono é um dos elementos químicos mais versáteis já conhecidos na natureza, o qual forma estruturas identificadas de 3 a 0D. A Figura 4 mostra alguns dos compostos formados a partir de carbono puro, os quais podem ser classificados em:

  • - 3D, no caso da estrutura tipo diamante (transparente) e do grafite (do nosso lápis); -

  2D, no caso da nanoestrutura do grafeno, que é um plano macroscópico em duas dimensões e nanoscópico em uma, ou seja, a largura de uma camada de grafeno é de nanometros (espessura atômica), tamanho este que é desprezível comparado com o tamanho dos outros dois eixos;

  • - 1D, no caso dos nanotubos de carbono, onde o comprimento pode chegar a alguns centímetros mas o diâmetro desta estrutura tubular é da ordem de alguns nanometros; -

  0D, no caso dos fulerenos, que são estruturas esféricas formadas por alguns átomos de carbono, os quais possuem diâmetro de dimensão nanométrica, o que pode ser considerado como uma estrutura pontual quando comparados com macroestruturas, por isso denominados de zero dimensio nal.

  

Figura 4: Diferentes dimensões observadas em estruturas de carbono de 3 a 0D.

  Efeito De Área Superficial Em Nanoestruturas

  Uma das grandes potencialidades dos nanomateriais está associada ao aumento, de forma acentuada, da área superficial da estrutura quando reduzimos o tamanho desta, ou seja, quando passamos de uma escala macro - ou micro- para a nanoescala. Este fato faz com que estas nanoestruturas tenham uma grande expectativa de aplicação em termos de sensores de moléculas de interesse químico (remoção de gases tóxicos, transporte de medicamentos no organismo, etc) ou biológicos (interação com proteínas, detectores de vírus, aminoácidos, etc.) (SOUZA FILHO, 2007). Ou seja, com uma quantidade reduzida de material base (nanoestruturas) podemos aumentar gradativamente a interação com as estruturas de interesse.

  Desta forma, podemos conhecer o domínio dos efeitos de superfície na escala nano usando, como exemplo, um cubo e uma esfera de dimensão 3D atingindo a dimensão 0D, como descrito a seguir.

  Considere um cubo maciço de 1 cm de aresta (L). Dividindo este em N cubos idênticos até atingir uma escala da ordem de nanometros, como mostra a Tabela 1, podemos avaliar a variação da área superficial, considerando o volume total e a massa constante.

  Tabela 1: Número, aresta, área superficial e escala dos cubos partindo da escala

macroscópica até a escala nanométrica.

  Número cubos Aresta do cubo Área Escala Superficial 2 1 1cm 6 cm macro 3 2 1.000 = 10 0,1cm 60 cm macro 6 2 1.000.000 = 10 0,01cm 600 cm macro 9 2 1.000.000.000 = 10 0,001cm = 10 m 6.000 cm micro 12 µ 2

  1.000.000.000.000 = 10 60.000 cm micro 0,0001cm = 1 m 15 µ 2 1.000.000.000.000.000 = 10 0,00001cm = 100 nm 600.000 cm nano 18 2

1.000.000.000.000.000.000 = 10 0,000001 cm = 10 nm 6.000.000 cm nano

21 2

1.000.000.000.000.000.000.000 =10 0,0000001 cm = 1nm 60.000.000 cm nano

  3 O volume (V ) e a área superficial (S ) do cubo são dados por V = L e S = C C C C

  2

  6L , respectivamente (Figura 5). Portanto, a razão entre o volume e a área superficial neste caso será dada por: S /V = 6/L. (1)

  C C

  Como estamos considerando o volume do cubo constante, então a variação da área superficial é inversamente proporcional a aresta do cubo formado. A partir da Tabela 1, a qual relaciona o número de cubos com as suas respectivas arestas e áreas superficiais, observamos o aumento substancial da área superficial com a redução da escala, conforme preconiza a equação (1). Considerando um átomo em cada face do cubo e que cada um destes átomos tenha a capacidade de detectar uma molécula (exemplo de um sensor químico ou biológico), então em um cubo de

  3

  1cm (escala macro) teremos somente 6 partículas absorvidas (detectadas). Mas, se

  21

  3

  dividirmos este cubo em 10 cubos idênticos com aresta de 1nm (volume de 1nm )

  

3

  21 teremos, para o mesmo volume total (1cm ), 6 x 10 partículas detectadas.

  

Figura 5: Esquema ilustrativo de um cubo de lado L e de uma esfera de raio R.

  A variação da área superficial com o tamanho das partículas também pode ser relacionada com outras estruturas geométricas, como as esféricas. Seja uma esfera maciça de ouro de raio (R) 2,31 cm, com massa de 1 kg e densidade de 19,3

  3

  3

  g/cm , sendo que o volume e a área superficial da esfera são dados por V =4 R /3 e

  E π

  2 S = 4 R , respectivamente. A razão entre a área superficial e o volume da esfera é E π

  dado por: S /V = 3/R. (2)

  E E

Tabela 2 : Número, raio, área superficial e escala das esferas começando em uma da escala

macroscópica até a escala nanométrica.

  

Número de esferas Raio da esfera Área Superficial Escala

-3 2 1 = 10 2,31 cm 6,7012 x 10 m macro 1
  • -2
  • 2 10 = 10 0,00231m = 2,31 mm 6,7012 x 10 m macro 2
    • -1
    • 2 100 = 10 0,000231 m = 231 m 6,7012 x 10 m micro 3

      µ

      2

        

      1.000 = 10 0,0000231 m = 23,1 m 6,7012 m micro

      4

      µ

      1 2 10.000 = 10

        6,7012 x 10 m micro 0,00000231 m = 2,31 m 5 µ 2 2

      100.000 = 10 0,000000231 m = 231 nm 6,7012 x 10 m nano

      6 3 2

      1.000.000 = 10 0,0000000231 m = 23,1 nm 6,7012 x 10 m nano

      7 4 2

      10.000.000 = 10 0,00000000231 m = 2,31 nm 6,7012 x 10 m nano

      8 5 2

      100.000.000 = 10 0,000000000231 m = 0,231 nm 6,7012 x 10 m nano

        Como a densidade e a massa da esfera de ouro são constantes, conseqüentemente o volume também o será e a variação da área superficial será inversamente proporcional ao raio da esfera. A Tabela 2 mostra esta relação onde a esfera inicial é dividida em N esferas idênticas até os raios atingirem uma escala nanométrica.

        Levando em conta o alto custo do ouro (aproximadamente R$ 50,00 o grama) neste caso temos que com uma quantidade reduzida da amostra, o que é economicamente vantajoso, o mesmo rendimento. Além do fato que esses nanomateriais podem ser utilizados para a construção de dispositivos menores, aumentando também a gama de aplicabilidade.

        Conclusões

        Através de uma abordagem simples apresentamos algumas potencialidades da nanociência e da nanotecnologia. Uma propriedade de grande interesse tecnológico, oriunda da nanotecnologia, é o aumento de área superficial quando convergimos de uma escala macroscópica ou microscópica para a escala nanometrica. Nesta linha, sugerimos duas atividades, através das quais podemos partir de uma escala macroscópica atingirmos o limite nanométrico, ou seja, de macroestruturas cúbicas e esféricas para nanoestruturas cúbicas e esféricas com um grande aumento na área superficial das estruturas. As duas atividades apresentadas podem ser aplicadas tanto para alunos do ensino médio, assim como para alunos do ensino básico, visto que não envolvem conceitos e nem álgebra sofisticados.

        Referências

        BRASIL. Ministério da Ciência e Tecnologia - MCT, disponível em http://www.mct.gov.br, 2008. COLLEGE, St Helena Secondary , Disponível em http://www.sthelena.vic.edu.au/. DREXLER, E. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Books, New York, 1986. ETC, Grupo. Nanotecnologia - os Riscos da Tecnologia do Futuro, L & PM, Porto Alegre, 2005.

        INITIATIVE, National Nanotechnology, disponível em http://www.nano.gov/html/edu/home_edu.html, 2008 KROTO, H. W; HEATH, J. R.;OBRIEN, S. C.; CURL, R. F.; SMALLEY, R. E. Nature, 318, 162,1985. PCNs, Orientações Curriculares para o Ensino Médio. MEC. Disponível em http://www.mec.gov.br/s eb, 2008. POOLE, C. P.; OWENS, F. J. Introduction to Nanotecnology Willey Int., Hoboken, 2003. SOUZA FILHO, A. G.; FAGAN, S. B. Química Nova, 30, 1695, 2007. TOMA, E. H. O Mundo Nanométrico: a dimensão do novo século, Oficina de Textos, São Paulo, 2004.

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